關于地鐵車輛牽引電機異響的分析

周 剛,張舜磊

(徐州地鐵運營有限公司,江蘇 徐州 221000)

地鐵車輛經過公路運輸后,牽引電機出現異響的情況多有發生,如成都地鐵[1]、株洲電機[2]、福州地鐵[3]等,主要表現為:在車輛低速行駛時,會出現明顯挫鈍的異響。拆解電機發現,軸承內圈滾道面存在多處規則軸向壓痕,與滾子節距相吻合,見圖1。

圖1 軸承內圈壓痕

1 異響電機軸承探究

目前業內主流觀點較為統一,認為壓痕問題由公路運輸問題導致,但對運輸中過載變形、振動磨損2種失效原因及影響程度沒有區分研究?，F以某地鐵為研究對象,對產生與滾動體節距一致的壓痕機理逐一分析(本文軸承失效的特征、描述參照GB/T 24611—2020[4])。

1.1 過載變形

1.1.1 靜載荷

電機靜止時,電機轉軸及其他部件的質量會作用于軸承的承載區,見圖2。

圖2 軸承靜載荷受力分析

軸承所受合力F合=F0+F1cosβ+F2cos2β+…。

當軸承過載時,內外圈滾道與滾子直接接觸且接觸處發生塑性變形,使得內外圈滾道形成與滾子節距相應的凹痕。某地鐵牽引電機相對靜止狀態時,兩端軸承只需承載電機轉子(約160 kg)及電機側聯軸節的質量負荷,遠低于所選用軸承166 kN的額定靜載荷,所以可排除靜載荷過載造成的塑性變形。

1.1.2 沖擊載荷

如今地鐵車輛普遍采用公路運輸,但采取的減振方式(如在止動裝置下安放緩沖膠墊等)很難將道路減速帶、凹坑等產生的振動顛簸全部消除,而車輛顛簸使轉子及軸承內圈對滾動體產生反復沖擊,會對軸承內圈上下部滾道造成損傷。因此存在運輸過程中載荷沖擊造成軸承損傷的可能性。

1.2 振動磨損

當轉子受到振動發生軸向躥動時,由于軸承游隙的存在(圖3),與轉子配合的軸承內圈會與滾動體、外圈產生微小軸向位移。

圖3 軸承游隙示意圖

同時電機長期靜止時,游隙中因運轉產生的潤滑油膜被破壞,內外圈滾道與滾動體的直接接觸會對金屬表面造成磨損[5]。嚴重情況下接觸面的抗氧化層被破壞,導致金屬表面氧化銹蝕。

某地鐵整車運輸時保持聯軸節耦合,聯軸節存在徑向360°及軸向偏擺量;僅在非傳動端安裝防躥動工藝螺栓,受運輸途中顛簸(道路凹坑、減速帶等)、過彎偏擺的影響,軸承滾動體和內外圈接觸面仍會處于微振磨損狀態。

拆解電機發現,軸承損傷往往集中在傳動端圓柱滾子軸承,而非傳動端深溝球軸承因具有較大軸向承載能力,受影響較小。同時某地鐵早期出現異響的電機均存在運輸防護操作不當的情況,即非傳動端工藝螺栓扭矩不夠,未起到防護限制效果。

綜上,地鐵牽引電機軸承壓痕損傷的主要原因是公路運輸顛簸產生的振動腐蝕,次要原因是顛簸帶來的載荷沖擊。

2 電機軸承監測方法

滾動軸承故障診斷的常用方法有:基于振動信號、基于聲發射、基于溫度、基于油樣分析、基于油膜電阻、基于光纖的滾動軸承故障診斷技術等[6]。目前地鐵行業針對電機軸承缺陷,主要從溫度、潤滑脂、振動、聲音進行監測。下文將簡述4種方式的監測原理及測試方法。

2.1 溫度傳感器及溫度貼紙

軸承發熱是由軸承內部摩擦引起,當摩擦異常時,軸承溫度也會隨之變化(往往是升高)。地鐵牽引電機內部安裝的溫度傳感器能對電機內部環境溫度進行測量,但無法精準檢測電機軸承溫度。而電機端蓋附著溫度貼紙,可以有效記錄車輛運行周期中電機軸端處最高溫及溫升情況,但易受組件熱容量、環境條件影響,無法真實反映軸承溫度。這2種方法均無法在軸承缺陷初期進行精準反饋,所以只能作為地鐵日常檢修(日檢)的一種輔助診斷措施。

2.2 潤滑脂檢查

地鐵檢修常通過檢查電機兩端廢油腔,查看潤滑脂是否氧化變質,有無生成一些不溶物及沉淀物,如黑灰色的膠狀軟沉淀物油泥、灰黃至棕黑色的堅硬漆膜等;或觀察潤滑脂中是否摻入磨損的機械雜質,較大顆粒/碎屑可直接肉眼觀察,細小顆粒雜質可取少量潤滑脂均勻涂抹在透明玻璃板或PC板上觀察。

軸承運行時,潤滑脂形成的油膜厚度僅幾微米,若頻繁地打開廢油腔進行檢查,會增加灰塵等污染物進入軸承的風險。因此,潤滑脂檢查在地鐵行業往往是作為年檢、2.5年檢或抽檢項目。

2.3 振動監測

針對電機軸承進行振動監測是目前最主流的故障診斷手段。振動監測的優點之一是,在軸承缺陷初期,無需拆解電機,就可以精準測定軸承有無異常,并基于振幅、振頻鎖定故障部件。常用提取軸承故障特征分量的手段主要有沖擊脈沖法和加速度包絡解調2種方法,加速度包絡相對于沖擊脈沖法,對軸承早期故障檢測更為準確[7]。

當軸承存在缺陷時,受到運行滾動體的沖擊會產生異常振動,這種異常振動疊加電機轉軸自身的工頻信號會被加速度傳感器采集到。經帶通濾波,工頻信號被濾除;再經半波整流、低通濾波后,得到的信號形式為滾動軸承受沖擊而激起的振幅邊緣(包絡)。這種振幅的包絡形式是由軸承自身結構特性和轉速決定的[8]。因此通過對電機軸承振動監測并進行加速度包絡解調是軸承故障早期診斷的可靠手段。

主流的軸承在線監測主要針對缺陷頻率及其倍頻特征、包絡總值進行分析。振動監測技術的普及應用使得各大軸承廠商針對各自產品進行了測試計算。常用缺陷頻率計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:BPFO為外圈缺陷頻率;BPFI為內圈缺陷頻率;BSF為滾動體缺陷頻率;TFT為保持架缺陷頻率;z為每列滾動體個數;n為轉速,r/min;DR為滾動體直徑;dm為節圓直徑;α為接觸角。

表1為兩款常見軸承在212 r/min(對應車速5 km/h)轉速下的缺陷頻率。

表1 兩款常見軸承的缺陷頻率 Hz

軸承頻譜的倍頻特征在一定程度上能夠反映軸承的健康狀態,同時,頻譜中密集的邊頻帶也可以表征軸承的運行狀態。例如轉速212 r/min下,某廠商推薦包絡總值預警值0.23 gE,報警值0.7 gE。

無缺陷頻率或有缺陷頻率但包絡總值≤0.23 gE時,代表軸承狀態正常;有缺陷頻率且包絡總值在0.23(預警值)～0.7 gE(報警值)之間時,代表軸承出現輕微異常,需加強維護及跟蹤;有缺陷頻率且包絡總值≥0.7 gE時,代表軸承已出現較明顯缺陷。

正常軸承監測頻譜圖如圖4所示,該軸承無缺陷頻率且包絡總值為0.114 9 gE,小于0.23 gE。

圖4 正常軸承監測頻譜圖

輕微異常軸承監測頻譜圖如圖5所示,該軸承存在缺陷頻率及倍頻特征,且包絡總值為0.350 2 gE,在0.23～0.7 gE之間。

圖5 輕微異常軸承監測頻譜圖

2.4 人耳監聽

電機在運轉時,會產生一定的噪聲,常見的噪聲分析方法是將采集到的噪聲信號波形分解,依靠頻域特征來推斷噪聲來源或使用送話器陣列來定位噪聲的位置等[9]。但聲音監測相較于振動監測,對環境及試驗條件要求更為苛刻,更容易受到環境因素干擾。

地鐵車輛受限于設備結構及電機工況(電機的轉動伴隨著車輛的行駛),使用常規的聽棒(圖6)或工業“聽診器”難以進行批量監測。但聲音作為振動引起的聲波,在一定程度上,可以對部分缺陷作出明顯反應,所以依賴于檢修經驗和噪聲音頻積累的人耳監聽是地鐵重要檢測手段之一,即普遍施行的“回庫檢”。

圖6 聽棒

3 地鐵應用情況分析

現取某地鐵24臺電機,分別編號01～24號,同時采取上述多種監測手段,進行兩輪監測,對比分析在壓痕類軸承問題實際診斷中的應用及壓痕缺陷的衍變情況。

3.1 監測手段比較

第1輪監測的24臺電機中僅09號電機人耳監聽存在異響,其余監測手段均未監測到異常。第2輪監測新發現04、06、10、20、24號電機存在人耳監聽異響且存在頻譜內圈缺陷特征,電機05、12、23號電機僅存在人耳監聽異響。對24臺電機進行拆解,現以拆解軸承的壓痕輕重來作為軸承缺陷實際情況的判斷依據,有肉眼可見但觸摸無手感的壓痕為早期缺陷,觸摸有輕微手感的壓痕為初期缺陷。兩輪監測發現的軸承問題匯總如表2所示(無異常的不做統計)。

表2 問題電機檢測情況

除上表中的13臺電機外,其余11臺電機軸承也存在早期缺陷特征,但均未被監測發現。以24臺電機監測情況進行分析,12臺具備軸承早期缺陷特征的電機,人耳監聽的檢出率僅為8.3%(僅檢出1臺),振動監測對早期缺陷問題檢出率為0(檢出0臺);另12臺具備軸承初期缺陷特征的電機,人耳監聽的問題檢出率為66.7%(檢出8臺),振動監測的問題檢出率為41.7%(檢出5臺)。

上述數據表明,與主流軸承缺陷檢測技術認識不同,人耳(聲音)監聽雖然會受到產品細微差異、環境及個人主觀影響,但在地鐵牽引電機軸承壓痕缺陷問題早期及初期的檢測中,相對于振動監測,反而更為敏感、高效;而振動監測技術,軸承缺陷頻率特征是看相對峰值,沒有量化適用的標準,所以在軸承缺陷早期難以精準診斷,但符合振動監測頻率缺陷特征的軸承,100%有缺陷。因此,電機軸承故障檢測及診斷,應采取多技術手段相融合的技術方案?？紤]車輛實際安全及經濟因素,定期的潤滑脂(廢油腔)檢查及振動監測,結合每日運營車輛回庫時的人耳監聽,日檢作業時的溫度貼紙檢查及溫度報警系統,就是一種較為全面綜合的檢測方案。

3.2 軸承缺陷的變化

對比同一臺電機兩輪振動監測的頻譜圖(圖7),經過一年的運行,內圈缺陷頻率36.37 Hz的包絡值由0.005 gE(圖7(a))擴大到0.02 gE(圖7(b)),趨于明顯;對比同一列車的12臺電機包絡總值(表3),均有不同幅度的提升。因此可知,隨著電機的持續運轉,即使是無手感壓痕類早期軸承缺陷,也會持續發展惡化,造成電機軸承異常振動及異音,所以應酌情及時更換缺陷軸承,避免軸承缺陷進一步惡化造成更大事故及經濟損失。

表3 同一列車12臺電機包絡總值對比 gE

圖7 同1臺電機的兩輪振動監測頻譜圖

4 軸承防護措施

4.1 地鐵常見方案

各家地鐵公司針對公路運輸各自采取了相適應的電機防護方案。如成都地鐵針對電機整機運輸,將軸端壓緊轉子的長壓板改為圓壓板,并配有相應橡膠圈,增大壓板與軸的接觸摩擦力,減少轉子徑向跳動[3]。但這種方法只適用于電機安裝在轉向架前,未考慮整車運輸防護,且未針對非傳動端采取防護措施。

廈門地鐵針對整車運輸,采取的措施為:(1)非傳動端使用工藝螺栓頂住轉子,限制轉子向非傳動端軸向躥動;(2)傳動端使用綁帶將電機軸在徑向拉緊固定,限制游隙產生的振動空間[10](圖8)。但使用綁帶進行固定的方式更適用于小型電機,增大了軸承靜載荷的同時,限制了游隙內潤滑油膜的形成。

圖8 防護示意圖

4.2 改良方案

4.2.1 傳動端

傳動端需要對聯軸節進行解耦防護:解耦聯軸節后,分別使用防護袋進行包裹,防止灰塵等污染;將解耦后的聯軸節沿軸向推至分離最大間隙,然后將電機側聯軸節用金屬壓板(粘有2 mm橡膠墊用于增大緩沖)安裝固定,該壓板由傳統長條型壓板升級為全覆蓋聯軸節端面的方型壓板,增加接觸面積與摩擦力,在限制軸向躥動的同時,也能起到減少徑向跳動的作用;同時使用尼龍鎖緊帶將齒輪箱側聯軸節與齒輪箱固定住,避免運輸過程中產生磕碰。傳動端防護方案見圖9。

圖9 傳動端防護方案

4.2.2 非傳動端

非傳動端使用工藝螺栓(由M8升級為M16螺栓)頂住轉子,見圖10,緊固力矩調整為40 N·m,限制轉子軸向躥動。

圖10 非傳動端工藝螺栓防護

這種防護方案相對于傳統的防護方案,在面對正常車輛振動顛簸時,可以更好地限制電機軸向躥動和徑向跳動;但對于平穩運輸,減少或避免振動顛簸仍是公路運輸的首要要求。

5 結論

通過對地鐵電機異響問題的試驗研究,可知軸承故障的檢測及診斷依靠單一狀態監測信號難以實現,需要綜合振動、溫度、噪聲、轉速等因素。人耳監聽在針對壓痕特征的軸承問題時,是一種更為高效的檢測方法;振動監測,即加速度包絡振動解調技術,可以在人耳監聽的基礎上,進一步精準鎖定軸承缺陷。而軸承缺陷不能自我改善的特性,導致即使是細小的壓痕缺陷,也會伴隨著電機運轉持續惡化,繼而產生異常抖動、噪聲等特征,對電機正常使用產生影響,嚴重時直接造成電機無法工作,影響地鐵運營。所以可靠的軸承檢測診斷及防護措施尤為重要。

本文的研究分析可以為業內同行在電機異響類問題中的調查處理提供參考,同時也希望可以為各大電機、主機廠在電機設計、防護及軸承狀態監測等環節提供參考。